Kaltaushärtende Aluminiumgusslegierung und Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumgussteils

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine kaltaushärtende Aluminiumgusslegierung, die auf Basis von Hüttenaluminium Al 99,9 erschmolzen wurde und bei hoher Zugfestigkeit und Streckgrenze noch eine Dehnung von deutlich über 1 % aufweist, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumgussteils.

Stand der Technik

[0002] Aus dem Werkstoff-Datenblatt ENAC-46200 ist als genormte Gusslegierung vom Typ G-AlSi8Cu3 die Legierung 226A (VDS Liste) bekannt. Die chemische Zusammensetzung dieser Legierung wird in Gewichtsprozent (Gw%) wie folgt angegeben: Silicium 7,5 - 9,5 Gw%, Eisen max 0,8 Gw%, Kupfer 2 - 3,5 Gw%, Mangan 0,15 - 0,65 Gw%, Magnesium 0,05 - 0,55 Gw%, Nickel max 0,35 Gw%, Zink max 1,2 Gw%, Titan max 0,25 Gw%, Blei max 0,25 Gw%, Chrom max 0,15 Gw%, Rest Aluminium sowie andere Beimengungen 0,05% (einzeln) und 0,25Gw% (insgesamt).

Aufgabenstellung

[0003] Ausgehend von dieser Legierung soll eine kaltaushärtende Aluminiumgusslegierung sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumgußteils mit hoher Zugfestigkeit und Streckgrenze bei gleichzeitig verbesserter Duktilität angegeben werden. Die Legierung soll gut vergießbar und zur Herstellung thermisch hoch beanspruchbarer Gussteile geeignet sein. Die Gussteile sollen auch mit herkömmlichen Mitteln gut schweißbar sein.

[0004] Zur Lösung des ersten Teils dieser Aufgabe wird eine neue AlSi9Cu3 mit zusätzlichen Gehalten an Mangan, Zink, Strontium und Obergrenzen für Magnesium, Eisen und Titan gemäß kennzeichnendem Teil von Patentanspruch 1 angegeben. Das neue Verfahren ist durch die im Patentanspruch 8 definierten Maßnahmen gekennzeichnet.

[0005] Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines kaltaushärtenden Aluminiumgussteils besteht bevorzugt in dem Erschmelzen der Legierung
Silicium 6 -11 Gw%
Kupfer 2,0 - 4,0 Gw%
Mangan 0,65 - 1,0 Gw%
Zink 0,5 - 3,5 Gw%
Strontium 0,01 - 0,04 Gw%
Magnesium max 0,55 Gw%
Eisen max 0,2 Gw%
Titan max 0,2 Gw% .
auf Basis von Primärmetall/Hüttenmetall der Reinheit Al 99,9 unter Zugabe mindestens eines der folgenden Elemente Silber, Samarium, Nickel, Cadmium, Beryllium sowie einer dem Gießprozess unmittelbar nachfolgenden Kaltauslagerung von 7 - 9 Tagen.

Beispiele

[0006] Im folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei wurden die Werte von Zugfestigkeit, Dehngrenze und Dehnung an einem im Schwerkraftkokillenguss gegossenen Probestab gemessen, der auf folgende Abmessungen abgedreht wurde: Probendicke a= 3mm, Probenbreite b= 8mm, Kopfbreite B= 12mm, Kopfhöhe h= 15mm, Anfangslänge L0= 30mm, Versuchslänge Lc= 33mm und Gesamtlänge Lt= 80mm.

1. Beispiel (Erfindungsbeispiel)

[0007] Eine Gusslegierung wird in Übereinstimmung mit Patentanspruch 8 als Primärlegierung auf der Basis von Hüttenaluminium Al 99,9 mit folgender Zusammensetzung erschmolzen: Silizium 9%, Kupfer 2,7%, Mangan 1%, Zink 2%, Strontium 0,02%, Magnesium 0,5%, Eisen 0,1%, Titan 0,1%, Silber 0,1 %, Nickel 0,45%, Indium 0,1%, Beryllium 0,0005%, Rest-Aluminium und herstellungsbedingte Verunreinigungen. Nach einer Kaltauslagerung von 8 Tagen wurden an dieser Legierung im Gusszustand folgende Werte gemessen:

Streckgrenze R_p0,2 = 190MPa

Zugfestigkeit Rm = 270MPa

Dehnung A_50mm = 1,5%

2. Beispiel nach dem Stand der Technik

[0008] Als Vergleichslegierung wird eine 226A-Gusslegierung mit folgender Zusammensetzung verwendet:

Si 8%, Fe 0,6%, Cu 3,0%, Mn 0,3%, Ni 0,2%, Zn 1,0%, Ti 0,2%, Pb 0,1%, Sn 0,1%, Mg 0,45 andere Beimengungen: einzeln 0,05, insgesamt 0,25%, Rest Aluminium.

[0009] Die Gusslegierung G-AlSi8Cu3 (Werkstoff Nr. 3.2162.05) weist im Gusszustand folgende Werkstoffeigenschaften auf:

Streckgrenze R_p0,2 = 100 MPa

Zugfestigkeit R_m = 170 MPa

Dehnung A_50mm = 1%

Vergleich der Verarbeitungseigenschaften

[0010] Der Vergleich zwischen der Legierung 226A nach dem Stand der Technik und der erfindungsgemäßen Legierung gemäß Beispiel 1 zeigt die überlegenen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Legierung, da die Werte für
Streckgrenze R_p0,2 = 190MPa
Zugfestigkeit Rm = 270Mpa bei gleichzeitig hoher
Dehnung A_50mm= 1,5% gemessen wurden.

[0011] Außerdem wurden die Gefügestrukturen verglichen. Dabei zeigte sich, dass bei der erfindungsgemäßen Legierung nur geringe Gehalte an Mg₂Si-Phasen gebildet wurden, jedoch eine sehr ausgeprägte thermisch stabile Al-Sc-Zr-Aushärtungsphase vorhanden war. Die Rekristallisationstemperatur war bei der erfindungsgemäßen Legierung ebenfalls deutlich erhöht. Ferner war die Anzahl der Beta-Al-Fe-Si-Nadeln um ca. 80% verringert, was auf eine deutlich verbesserte Duktilität der erfindungsgemäßen Legierung schließen lässt.

Weitere Versuche zur Interpretation der Gehaltsgrenzen

[0012] Durch Variation der im Beispiel Nr. 1 angegebenen Gusslegierung hinsichtlich der Legierungsgrenzen wurden folgende Ergebnisse festgehalten:

1.

Magnesium: bei Gehalten von über 0,55 % wird während des Vergießens der erfindungsgemäß zusammengesetzte Basislegierung die Oxidationsneigung gefördert. Außerdem konnte bei derartig hohen Mg-Gehalten keine weitere Festigkeitssteigerung festgestellt werden, da sich Mg ₂Si-Phasen bildeten.

2.

Eisen: bei Gehalten über 0,2 % wird bei allen nach Anspruch 8 vergossenen Legierungen die Dehnung deutlich herabgesetzt.

3.

Titan: Oberhalb von 0,2 % wurde keine Verbesserung des Gefüges eines nach Anspruch 1 ausgebildeten Gussteils im Hinblick auf die Rekristallisationstemperatur festgestellt.

4.

Indium und Cadmium verkürzen die Kaltauslagerungszeit der erfindungsgemäßen Legierung.

5.

Beryllium vermindert bei Magnesiumgehalten von über 0,4 bis 0,55 Gw% die Oxidationsneigung, die wiederum einen ungünstigen Einfluss auf die Dehnung hat.

6.

Cer erhöht in Aluminiumgusslegierungen der Zusammensetzung nach Anspruch 1 - 4 die Fließfähigkeit und mindert bis zu Gehalten von 0,4% die Klebneigung.

7.

Scandium erhöht die Warmfestigkeit und bildet in Verbindung mit Zirkon eine thermisch stabile Al-Sc-Zr -Aushärtungsphase.

8.

Zirkon erhöht bei der erfindungsgemäßen Gusslegierung bis zu einem Gehalt von max 0,3 % die Rekristallisationstemperatur.

9.

Zink verbessert bis zu einem Gehalt von 3,5 % bei einer nach Anspruch 1 zusammengesetzten Legierung die Formstabilität des Gussteils, bei Gehalten von mehr als 3,5% wurde keine weitere Steigerung der Formstabilität bzw. eine Verringerung der Klebeneigung festgestellt.

[0013] Somit lässt sich die technische Überlegenheit der ausgewählten Parameter für die erfindungsgemäße Aluminiumgusslegierung als Ergebnis einer synergistischen Wirkung der jeweils beteiligten Legierungselemente begründen.

Ansprüche

1. Kaltaushärtende Aluminiumgusslegierung, die auf Basis von Primärmetall/Hüttenaluminium der Reinheit Al 99,9 oder einer höheren Reinheitsstufe als Primärlegierung erschmolzen wurde und bei hoher Zugfestigkeit und Streckgrenze noch eine Dehnung von über 1 % aufweist, gekennzeichnet durch folgende Legierungsgehalte in Gewichts(Gw)%:

Silicium 6 -11 Gw%

Kupfer 2,0 - 4,0 Gw%

Mangan 0,65 - 1,0 Gw%

Zink 0,5 - 3,5 Gw%

Strontium 0,01 - 0,03 Gw%

Magnesium max 0,55 Gw%

Eisen max 0,2 Gw%

Titan max 0,2 Gw%.

2. Aluminiumgusslegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verbesserung der Dehnung auf Werte von über 1,5% bei gleichzeitig hohen Werten an Zugfestigkeit R_m ≥ 230MPa und Streckgrenze R_p02 ≥ 170MPa folgende Elemente einzeln oder in Kombination in die Aluminiumgusslegierung zugesetzt werden:

- Silber 0,01 - 0,80 Gw%

- Samarium 0,01 - 1,0 Gw%

- Nickel 0,01 - 0,40 Gw% .

3. Aluminiumgusslegierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch Zugabe von Zirkon die Rekristallisationstemperatur erhöht wird.

4. Aluminiumgusslegierung nach Anspruch 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch Zugabe von Scandium eine thermische stabile Al-Sc-Zr-Phase gebildet wird.

5. Aluminiumgusslegierung nach Anspruch 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch Zugabe von Cer die Fließfähigkeit erhöht und die Klebneigung verringert wird.

6. Aluminiumgusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verkürzung der Kaltauslagerungszeit folgende Legierungselemente einzeln oder zusammen in der Al-Gußlegierung enthalten sind:

Cadmium 0,01 - 0,30 Gw%

Indium 0,01 - 0,20 Gw%.

7. Aluminiumgusslegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verminderung der Oxidation bei erhöhten Magnesiumgehalten in der Al-Gusslegierung zusätzlich Beryllium bis zu 0,001 Gw% enthalten ist.

8. Verfahren zur Herstellung eines kaltaushärtenden Aluminium-Gussteils, das bei hoher Zugfestigkeit und Streckgrenze eine Dehnung von deutlich über 1 % aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine AlSiCu-Gußlegierung auf der Basis von Primärmetall/Hüttenmetall der Reinheit Al 99,9 oder reiner erschmolzen wird enthaltend folgende Legierungselemente in Gewichts-(Gw)- %:

Silizium 6 -11 Gw%

Kupfer 2,0 - 4,0 Gw%

Mangan 0,65 - 1,0 Gw%

Zink 0,5 - 3,5 Gw%

Strontium 0,01 - 0,04 Gw%

Magnesium max 0,55 Gw%

Eisen max 0,2 Gw%

Titan max 0,2 Gw%

wahlweise mindestens eines der Elemente Silber 0,01-0,08, Samarium 0,01-1,0 , Nickel 0,01-0,40 , Cadmium 0,01-0,30 , Indium 0,01-0,20 und Beryllium bis zu 0,001 Gw.% , wobei sich dem Gießvorgang unmittelbar nachfolgend eine Kaltauslagerung von 7 - 9 Tagen anschließt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der AlSiCu-Gusslegierung weitere Elemente aus der Gruppe Zirkon, Scandium oder Cer zugesetzt werden, wobei als herstellungsbedingte Verunreinigungen bis zu 0,05 Gw% (einzeln) und insgesamt max 0,2 Gw% im Rest Aluminium vorliegen.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verbesserung der Festigkeitswerte bei gleichbleibend hoher Dehnung von über 1,5% nach der Kaltauslagerung eine Warmauslagerung bei 160 bis 240^°C durchgeführt wird.